精編培訓(xùn)教材-測量基礎(chǔ)doc資料

1、第一部分測量技術(shù)基礎(chǔ)第一章角度測量精確測定地面點(diǎn)的位置和高程是測繪工作的主要任務(wù)之一。通常采用的方法是測定一定數(shù)量 的角度和長度，按一定的計(jì)算方法得到。測量角度的儀器主要是經(jīng)緯儀，主要包括光學(xué)經(jīng)緯儀和電 子經(jīng)緯儀兩大類別，本章著重討論角度測量的概念、電子經(jīng)緯儀的測角原理。§ 1 -1角度的概念一、水平角水平角是指兩條空間相交直線在某一水平面上投影之間的夾角，通常用于確定地面點(diǎn)的平面位置。如圖1- 1所示。A P B是三個(gè)不同高度的地面標(biāo)志點(diǎn)，PA PB兩條空間直線在過 P點(diǎn)的水平面上投影后為pa和pb，它們之間的夾角/ apb稱為PX寸A、E兩點(diǎn)的水平角,常用字母：表示。要測定水平角

2、，可以設(shè)想將一個(gè)有順時(shí)針角度分劃的圓盤（度盤）置于測站點(diǎn)Ph,使其圓心與P點(diǎn)重合或者位于同一鉛垂線上，并安置水平。在度盤的中心上方，設(shè)置一個(gè)既可以水平轉(zhuǎn)動(dòng)、 又可以鉛垂俯仰的望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)裝置，以及與其水平轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的位于度盤上的讀數(shù)指標(biāo)線，這樣望遠(yuǎn)鏡分別照準(zhǔn)A B點(diǎn)，即可得到度盤上指標(biāo)線處的讀數(shù)a0、b0,顯然水平角為：=bo a。a。、bo值稱為P對(duì)于A B目標(biāo)點(diǎn)的方向值。1 0 - ' a-1BEa圖1 -1水平角的概念二、垂直角垂直角是指空間直線與水平面的夾角，通常用于確定地面點(diǎn)的高程。 測量中規(guī)定從水平面開始,向上量為正，也稱為仰角；向下量為負(fù)，也稱為俯角，通常用希臘字母a表示。如

3、圖1-2中，照準(zhǔn)方向線0A與 O點(diǎn)的水平面 OA的夾角a,即為0點(diǎn)對(duì)于A點(diǎn)的垂直角。圖1-2垂直角的概念為了測定垂直角，原理上可以設(shè)想在前述望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)裝置賴以俯仰的水平軸的一端安置一個(gè)度盤，0 -180直徑方向與鉛垂線同向，盤面鉛垂，圓心與水平軸重合，稱為垂直度盤；再于垂直度盤上設(shè)置一個(gè)與望遠(yuǎn)鏡方向同步的讀數(shù)指標(biāo)線。這樣，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)A時(shí)，依指標(biāo)線在垂直度盤上讀取讀數(shù)S，水平位置的讀數(shù):.0與§之差，即為0點(diǎn)對(duì)于A點(diǎn)的垂直角a。實(shí)際儀器中是使讀 數(shù)指標(biāo)固定于一不變位置，通常在鉛垂線方向（或水平方向），而度盤與望遠(yuǎn)鏡固連在一起，且0 -180直徑方向與望遠(yuǎn)鏡軸線平行，隨望遠(yuǎn)鏡的俯仰

4、而旋轉(zhuǎn)，照準(zhǔn)目標(biāo)后讀取鉛垂方向讀數(shù),按=90 -：計(jì)算同樣也可得到垂直角。在重力的作用下，地面上每一點(diǎn)均有一條指向下的鉛垂線方向（即自由落體方向），我們定義鉛垂線的反方向（指向天頂）稱為該點(diǎn)的天頂方向，從天頂方向量到某一空間直線方向的角度Z（在鉛垂面內(nèi)）稱為天頂距，用英文字母 Z表示，顯然OAt線方向的天頂距Z與垂直角a的關(guān)系為：a = 90° Z實(shí)際應(yīng)用時(shí)可使用垂直角也可使用天頂距。另外，天頂距可以大于90 ,故無正負(fù)之分。§ 1 2經(jīng)緯儀測角的基本概念一、經(jīng)緯儀的整置到達(dá)測站點(diǎn)之后，在開始角度觀測之前，測量員需要整置經(jīng)緯儀。整置經(jīng)緯儀包括對(duì)中、整平、 調(diào)焦三個(gè)步驟。1對(duì)

5、中對(duì)中的目的是使經(jīng)緯儀的水平度盤中心與測站點(diǎn)標(biāo)石中心位于同一鉛垂線上。精確對(duì)中的方法 有垂球法和光學(xué)對(duì)點(diǎn)器法。下面分別介紹其操作方法：(1) 垂球法先把腳架腿伸開，長短適中，選好腳架尖入地的位置，憑目估，盡量使腳架面中心位于標(biāo)石中 心正上方，并保持腳架面概略水平。將垂球掛在腳架中心螺旋的小勾上，穩(wěn)定之后，檢查垂球尖與 標(biāo)石中心的偏離程度。若偏差較大，應(yīng)適當(dāng)移動(dòng)腳架，并注意保持移動(dòng)之后腳架面仍概略水平；當(dāng) 偏差不大時(shí)(約3厘米以內(nèi))，取出儀器，扭上中心固定螺旋，剩下半圈絲，不要旋緊，緩慢使儀器 在腳架面上可以前后左右的移動(dòng)，垂球尖靜止時(shí)精確對(duì)準(zhǔn)后標(biāo)志中心，擰緊中心固定螺旋，對(duì)中完 成。(2) 光

6、學(xué)對(duì)點(diǎn)器法將腳架腿伸開，長短適中，保持腳架面概略水平， 平移腳架同時(shí)從光學(xué)對(duì)點(diǎn)器中觀察地面情況， 當(dāng)?shù)孛鏄?biāo)志點(diǎn)出現(xiàn)在視場中央附近時(shí)，停止移動(dòng)，緩慢踩實(shí)腳架。旋轉(zhuǎn)機(jī)座升降螺絲并觀察地面標(biāo) 志點(diǎn)的移動(dòng)情況，使對(duì)點(diǎn)器的十字絲中心對(duì)準(zhǔn)地面標(biāo)志點(diǎn)，此時(shí)園水準(zhǔn)器不居中。松開腳架腿固定 螺絲，適當(dāng)調(diào)整三個(gè)腳架腿的長度，使園水準(zhǔn)器居中，此時(shí)地面標(biāo)志點(diǎn)略微偏離十字絲中心。重復(fù) 上述過程2 3次，直至地面點(diǎn)落于十字絲中心同時(shí)園水準(zhǔn)器也處于居中狀態(tài)，對(duì)中完成。利用光學(xué) 對(duì)點(diǎn)器對(duì)中較垂球法精度高，一般誤差在1mr左右，同時(shí)不受風(fēng)力的影響，操作過程簡單快速，因而應(yīng)用普遍。2.整平整平的目的是讓經(jīng)緯儀豎軸位于鉛垂線上。通

7、常是先讓圓氣泡居中，使儀器概略置平。由于重 力的作用，水準(zhǔn)器中的氣泡總是向高處移動(dòng)，腳螺旋順時(shí)針轉(zhuǎn)(從上向下看)時(shí)總是抬高照準(zhǔn)部，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)總是降低照準(zhǔn)部，所以用左手旋轉(zhuǎn)腳螺旋時(shí)，氣泡總沿食指移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。用管水準(zhǔn)器 置平時(shí)，通常是先讓管氣泡平行于某兩個(gè)腳螺旋的連線，如圖1 3(a)。旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)腳螺旋，使氣泡居中，然后轉(zhuǎn)動(dòng)照準(zhǔn)部，使管水準(zhǔn)器垂直于該兩個(gè)腳螺旋連線，如圖1 3(b)。此時(shí)， 只轉(zhuǎn)動(dòng)第(a)(b)圖1 3經(jīng)緯儀整平三個(gè)腳螺旋，使氣泡居中，如此反復(fù)2 3次，儀器在互相垂直的兩個(gè)方向上均達(dá)到氣泡居中，即達(dá)到了精確置平。(3) 調(diào)焦調(diào)焦包括目鏡調(diào)焦和物鏡調(diào)焦，物鏡調(diào)焦的目的是使照準(zhǔn)目標(biāo)

8、經(jīng)物鏡所成的實(shí)像落在十字絲板 上，目鏡調(diào)焦的目的是使十字絲連同目標(biāo)的像(即觀測目標(biāo))一起位于人眼的明視距離處，使目標(biāo) 的像和十字絲在視場內(nèi)都很清晰，以利于精確照準(zhǔn)目標(biāo)。(最黑)。由于先進(jìn)行目鏡調(diào)焦，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)向天空或白墻，轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)焦環(huán)，使十字絲最清晰各人眼睛明視距離不同，目鏡調(diào)焦因人而異。然后進(jìn)行物鏡調(diào)焦，轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡調(diào)焦螺旋，使當(dāng)前觀測 目標(biāo)成像最清晰。調(diào)焦是否正確，可將眼睛在目鏡后上下左右移動(dòng)，若目標(biāo)影像和十字絲影像沒有相對(duì)移動(dòng)，則 說明調(diào)焦正確；否則，觀察到目標(biāo)影像和十字絲影像相對(duì)移動(dòng)，則說明調(diào)焦不正確，這種現(xiàn)象稱為 十字絲視差。它將影響觀測的精度，特別是進(jìn)行高等級(jí)觀測時(shí)，尤其應(yīng)當(dāng)注意。圖

9、1-4的前兩種情況，為調(diào)焦不正確；后一種情況，為調(diào)焦正確。像平面像平面像平面十字絲平面圖1-4十字絲視差二、水平角方向觀測法在地形測量中，觀測水平角通常采用方向觀測法和復(fù)測法，且以前者居多，亦稱全圓觀測法； 只有當(dāng)精度要求較高，而使用的儀器等級(jí)較低時(shí)，方采用后者。水平角觀測時(shí)必須用十字絲的縱絲照準(zhǔn)目標(biāo)，如圖1 - 5所示，根據(jù)目標(biāo)的大小和距離的遠(yuǎn)近,切準(zhǔn)目標(biāo)的方式可以選擇單絲切準(zhǔn)或雙絲夾準(zhǔn)。圖1 -5水平角觀測的目標(biāo)照準(zhǔn)如圖1-6, O點(diǎn)為測站點(diǎn)，欲觀測方向 A B、C、D四個(gè)方向的水平角，方向觀測法步驟如下：1.安置度盤多個(gè)測回觀測時(shí)，為了減弱度盤刻劃誤差影響，使讀數(shù)均勻分布在整個(gè)度盤上，規(guī)

10、范要求觀測 時(shí)要變換度盤的起始位置。通常要求各測回起始度盤位置讀數(shù)G對(duì)J2和J6型經(jīng)緯儀，G分別為:J2型： 18(k -1) 10'(k -1) -60(-)mm 2J6 型：18(k -1) 60 (k -1)mm式中，m為測回總數(shù)，k為測回序號(hào)(k=1, 2,.)。O圖1-6方向觀測法在每測回觀測前，都應(yīng)該重新安置度盤。2.觀測（1 ）上半測回盤左（垂直度盤位于望遠(yuǎn)鏡的左側(cè)）先照準(zhǔn)第一方向A （因計(jì)算時(shí)將第一方向的方向值強(qiáng)制歸零，故也稱該方向?yàn)榱惴较颍?，讀取水平度盤讀數(shù)為 L1，然后依順時(shí)針方向分別照準(zhǔn) B C、D方向， 得盤左讀數(shù)為L2、Lx L4，測完最后一個(gè)方向，繼續(xù)順時(shí)針

11、轉(zhuǎn)到零方向，再次盤左照準(zhǔn)，得讀數(shù)L；，這種在盤左位置二次觀測零方向的作法稱為上半測回歸零。規(guī)范規(guī)定只有方向數(shù)超過三個(gè)時(shí)才進(jìn)行歸零。于是得上半測回歸零差上為：二上=Li - Li（2 ）下半測回上半測回歸零之后，縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，使垂直度盤位于望遠(yuǎn)鏡右側(cè)（稱盤右），先照準(zhǔn)零方向，得盤右讀數(shù)R1，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次照準(zhǔn) D、C B A,得盤右水平度盤讀數(shù) R4、R3、R2、R；，在盤右位置上二次觀測零方向稱為下半測回歸零。則下半測回歸零差下為：匚下=Ri - Ri上下兩個(gè)半測回稱為一測回。至此，一測回觀測完成。三、指標(biāo)差及垂直角計(jì)算公式的推證我們知道，垂直度盤讀數(shù)是通過指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的，而指標(biāo)的安裝位置及度盤

12、的刻劃方式不同，將 使得垂直角的計(jì)算方法不同。同時(shí)指標(biāo)安裝的實(shí)際位置與其設(shè)計(jì)位置通常難以完全一致，也必將對(duì) 垂直度盤讀數(shù)產(chǎn)生影響，這種影響我們稱之為垂直度盤指標(biāo)差，以i表示。對(duì)于020、030、T2等多數(shù)儀器，指標(biāo)的設(shè)計(jì)位置為鉛垂線方向，當(dāng)照準(zhǔn)軸水平時(shí)，讀數(shù)應(yīng)為90 =（或270 =）,由于指標(biāo)差的存在，實(shí)際讀數(shù)將偏離 90，此偏離值即為指標(biāo)差i，如圖1- 7（a）所示。（a）（b）圖1-7垂直角與指標(biāo)差的關(guān)系(c)為了推證指標(biāo)差和垂直角的計(jì)算公式，首先繪制出垂直角觀測時(shí)照準(zhǔn)軸、度盤、指標(biāo)的關(guān)系示 意圖，并標(biāo)出指標(biāo)差i、度盤讀數(shù)及垂直角：。圖1-7 （b）、1 - 7 （ C）分別為照準(zhǔn)一高目

13、標(biāo)時(shí)，盤 左和盤右觀測的示意圖。由圖可知：-90 -左 i:二右- 270 -i將上面兩式聯(lián)立求解垂直角和指標(biāo)差:i = 1 (L R 一 360 )21(R - L -180 )2分析上面兩式可知，對(duì)于垂直角半測回來說，在盤左、盤右讀數(shù)中含有指標(biāo)差的影響，因此利 用半測回讀數(shù)計(jì)算垂直角時(shí)，應(yīng)加入指標(biāo)差改正；而對(duì)于一測回，盤左、盤右讀數(shù)聯(lián)合計(jì)算垂直角,由于兩個(gè)讀數(shù)中均含有指標(biāo)差的影響，且相互抵消，因而指標(biāo)差對(duì)于一個(gè)測回垂直角觀測沒有影響；同時(shí)，雖然指標(biāo)差受外界溫度的變化、震動(dòng)等因素會(huì)發(fā)生微小改變，但在短時(shí)間內(nèi)指標(biāo)差接近一個(gè) 常數(shù)。故規(guī)范規(guī)定一個(gè)測站上同組、同方向、各測回的指標(biāo)差之差，不應(yīng)超過一

14、定的限制，以 此作為衡量垂直角觀測質(zhì)量的依據(jù)。§ 1 3電子經(jīng)緯儀測角原理八十年代之后，現(xiàn)代電子技術(shù)滲透到測繪儀器制造行業(yè)，西方發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)出了新一代角度測 量儀器一一電子經(jīng)緯儀。與光學(xué)經(jīng)緯儀一樣，電子經(jīng)緯儀也有照準(zhǔn)部和望遠(yuǎn)鏡、三軸系統(tǒng)等，不同 的是電子經(jīng)緯儀的度盤和讀數(shù)系統(tǒng)采用了光電技術(shù)，角度測量數(shù)字結(jié)果可以直接顯示在屏幕上，也 可通過輸出端口向電子手簿或計(jì)算機(jī)自動(dòng)傳送測量結(jié)果，測量員只需用望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)，數(shù)據(jù)自動(dòng) 記錄，大大降低了讀錯(cuò)、記錯(cuò)的幾率，同時(shí)也提高了測量作業(yè)的自動(dòng)化程度。電子經(jīng)緯儀和全站儀的型號(hào)很多，但其測角原理和方法有許多相似之處，其類型主要有以下三 種：編碼度盤測角

15、、光柵增量式測角和光柵動(dòng)態(tài)測角。一、編碼度盤測角原理圖1 8四碼道編碼度盤在光學(xué)圓盤上設(shè)置有一定寬度的同心圓縫隙，每一圈成為一個(gè)碼道，并代表二進(jìn)制的一個(gè)數(shù)位,這樣便可以得到一個(gè)包含多個(gè)碼道的按二進(jìn)制規(guī)律組合起來的圖案，這種帶有編碼圖案的光學(xué)圓盤 成為光學(xué)編碼度盤，圖1 8為僅有四個(gè)碼道的編碼度盤示意圖。利用編碼度盤測角是電子經(jīng)緯儀中采用最早、也較為普遍的電子測角方法。它是以二進(jìn)制為基 礎(chǔ)將光學(xué)度盤分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域用一二進(jìn)制碼來表示。這樣，當(dāng)照準(zhǔn)方向確定后，方向 的投影落在度盤的某一區(qū)域上，即該方向?qū)?yīng)一二進(jìn)制編碼，通過發(fā)光二極管和接收二極管，將度 盤上的二進(jìn)制編碼信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通

16、過模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到一可讀角值。編碼度盤類似普通光學(xué) 度盤，每個(gè)方向都單值對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼輸出，不會(huì)因掉電或其它原因而改變這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外，利 用編碼度盤不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，就可得到絕對(duì)方向值。因此，這種測角方法也稱為絕對(duì)式測角法。編碼度盤的優(yōu)點(diǎn)是：能實(shí)時(shí)反映角度的絕對(duì)值，可靠性高，誤差不積累，調(diào)試簡單，有較強(qiáng)的 環(huán)境適應(yīng)性。由于二進(jìn)制只有“ 1”和“0”兩種狀態(tài)，與電器元件的導(dǎo)通和截止兩種物理狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，用邏 輯代數(shù)或布爾代數(shù)很容易對(duì)其進(jìn)行技術(shù)處理。二進(jìn)制碼盤的碼道數(shù)n與其容量M之間的關(guān)系為：nM =2圖1 8中，碼道數(shù)n=4,則碼盤的容量 M =24 =16；這意味著將一圓周等分16等分（或16個(gè)扇

17、區(qū)），因此，碼盤的分辨率與碼道數(shù)之間的關(guān)系如下：y 360M從理論上講，為了滿足較高的角度分辨率，可以增加碼道數(shù)和相應(yīng)的扇區(qū)數(shù)。但是從實(shí)際技術(shù) 上來看，則是困難的，主要有下列原因：（1）將碼盤信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為方向值的接收器件不可能無限小，因此，碼道數(shù)越多，勢必要使度盤直徑越大。如圖（1 9）所示，若光電接受二極管的尺寸只能是SR，即在光電圖1-9碼道數(shù)與度盤直徑的關(guān)系(2)實(shí)際度盤的半徑不可能很大，作為一種實(shí)用的儀器，其體積是有一定的限制的，一般度盤的直徑在100m m左右。由此可見，要提高編碼度盤的測角分辨率，必須采用角度測微技術(shù)。對(duì)于純二進(jìn)制碼盤來說，由于度盤刻制工藝上存在公差或光電接受管

18、安裝不嚴(yán)格，有時(shí)會(huì)使測量出現(xiàn)大的粗差。如四個(gè)碼道的度盤，有16個(gè)扇區(qū)，第0狀態(tài)可表示為0000,而第15狀態(tài)可表示為1111,它們是相鄰的。由于刻制工藝問題，透光與不透光的交界線可能不會(huì)完全齊。當(dāng)光電接收管位于狀態(tài)0和狀態(tài)15的交界處時(shí)，可能會(huì)把 0000讀成1000，而該值對(duì)應(yīng)的狀態(tài)是 8，使本來相鄰的兩 個(gè)狀態(tài)讀數(shù)結(jié)果相差180 ，這是不允許的。有時(shí)即使相鄰狀態(tài)的分界線很齊，但若光電接收管安 裝稍有偏差不可能嚴(yán)格位于一條直線上時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。正是基于這一點(diǎn)，在電子經(jīng)緯儀 的編碼度盤上引入了葛萊碼。用純二進(jìn)制碼盤測角可能出現(xiàn)大的粗差的主要原因是相鄰兩個(gè)區(qū)域的碼道狀態(tài)同時(shí)有幾個(gè)發(fā) 生變

19、化。為了克服這一缺點(diǎn)，于1953年發(fā)明了葛萊碼，它使整個(gè)碼盤的相鄰碼道只有一個(gè)碼道發(fā)生變化，所以也稱為循環(huán)碼。這樣，即使當(dāng)讀數(shù)位置處于兩個(gè)狀態(tài)的分界線上或光電接收管 安裝的不嚴(yán)格時(shí)，所得的讀數(shù)只能是兩個(gè)相鄰狀態(tài)中的一個(gè)，使得可能產(chǎn)生的誤差不超過十進(jìn)制的 一個(gè)單位。二、光柵增量式測角原理1.光柵測角原理和裝置遠(yuǎn)在幾個(gè)世紀(jì)以前，法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，用兩塊薄絲布疊在一起，能產(chǎn)生絢麗的水波樣的花紋， 當(dāng)薄綢相對(duì)移動(dòng)時(shí)，花紋也隨之變化。當(dāng)時(shí)把這種有趣的花紋叫做“莫爾”(MOIRE即“水波紋” c這便是初期的光柵。一百多年以前人們已將光柵的衍射現(xiàn)象用于光譜分析和光波波長測量，上世紀(jì) 五十年代，光柵已用于計(jì)量

20、和測量領(lǐng)域。光柵與莫爾條紋所謂光柵是由許多等間隔的透光刻劃和不透光刻劃的縫隙組成。為了滿足不同的需要，又可分為計(jì)量光柵和物理光柵兩大類，物理光柵的結(jié)距較小，一般在0.0005-0.002mm之間，它的主要工作原理是基于光柵的衍射現(xiàn)象。而計(jì)量光柵的結(jié)距相對(duì)較大，一般 在0.01-0.05mm,因而刻劃較粗。根據(jù)測量對(duì)象的不同，又可分為測量直線位移的直線光柵和測量角 度位移(光柵度盤)的圓光柵，在角度測量中主要使用圓光柵。光柵產(chǎn)生的莫爾條紋，相對(duì)于光柵 的方向可以是橫向、縱向和斜向。為了便于理解光柵測量原理，下面簡要介紹莫爾條紋的形成和特 性。圖1- 10光柵與莫爾條紋光彳圖1-11莫爾條紋的形成

21、橫向莫爾條紋，用兩塊具有相同節(jié)距W勺直線光柵重疊在一起，并使它們形成一個(gè)很小的夾角0，就會(huì)在兩塊光柵的重合部位形成了一系列交叉的不透光圖案，和一系列的菱形的透光圖案。在 整個(gè)光柵面上，均勻的分布著明暗條紋，這便是莫爾條紋，見圖（1 - 10）.莫爾條紋的間距B與光柵的節(jié)距W及兩光柵的交角0的關(guān)系可由圖1-11得到：般來說0很小，故上式可簡化為由于0很小，可見B要比W£得多，這就是莫爾條紋的放大作用。又因條紋的方向與0角的平分線垂直，所以稱這種條紋為橫向莫爾條紋。圖1 - 12縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋，將兩塊節(jié)距為 俯口（ 1+s） W（& <<1，即兩光柵的節(jié)距差

22、很?。┑闹本€光柵平行地重合在一起，則可形成縱向莫爾條紋，見圖（1- 12）。條紋的間距B為當(dāng)節(jié)距較小的一塊沿著光柵刻劃的垂直方向移動(dòng)時(shí)，縱向莫爾條紋也沿著同一方向移動(dòng)；當(dāng)節(jié)距 較大的一塊光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿反方向移動(dòng)。由于s和W都是定值，所以縱向莫爾條紋的間距是不能調(diào)整的。斜向莫爾條紋，將形成縱向莫爾條紋的兩塊光柵中的一塊轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度0，則形成的莫爾©和間距B為:B工條紋同時(shí)具有縱向和橫向莫爾條紋的屬性，稱為斜向莫爾條紋。條紋的斜角（1；）W1（sin2= cos： -（1；）2） 2莫爾條紋具有如下的特性:莫爾條紋移動(dòng)與光柵相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距刑，莫爾條紋（橫向

23、）就沿著近于垂直刻劃方向移動(dòng)一個(gè)條紋寬度B。當(dāng)光柵移動(dòng)方向改變時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也隨之改變。因此，只要知道莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)目， 就可知道光柵相對(duì)移動(dòng)的數(shù)目了。莫爾條紋具有移位放大作用條紋寬度B與柵距W之比稱為莫爾條紋的放大倍數(shù) K。般0角的取值很小，因此K很大，這時(shí)的莫爾條紋就像一個(gè)高效的前置放大器,般的光學(xué)機(jī)械方法是很難做到的，莫爾條紋的可調(diào)范圍很寬，在一個(gè)條紋間隔中還可以設(shè)置電子測微裝置，以實(shí) 現(xiàn)高分辨率測角。莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用莫爾條紋是由一系列的光柵刻線交點(diǎn)組成，若光柵的柵距有誤差，則交點(diǎn)的連線不會(huì)是直線， 但光電接收器件收到的光信號(hào)是進(jìn)入指示光柵視場內(nèi)的所有信號(hào)數(shù)N的平

24、均光能，該光能是將柵距誤差取平均值使用的結(jié)果。設(shè)單個(gè)柵距的誤差為/.,形成莫爾條紋的視場內(nèi)有 N條刻線，則柵距的平均誤差為：例如AGA70型電子速測儀的徑向光柵每毫米約有100刻線，若單個(gè)刻線的誤差：=1lm，用10x 10m啲光電接收器件，則 N= 100X 10= 1000 （刻線），故厶=0.03m。所以，人們利用莫爾條紋的這一特點(diǎn)，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)高精度測量，此外還可以利用光柵來控制光柵的制造過程，使 之生產(chǎn)出比樣本光柵更好的光柵，這便是所謂的光學(xué)優(yōu)生法原理。莫爾條紋便于自動(dòng)控制和數(shù)字化測量莫爾條紋有較大的反差和光強(qiáng)變化，便于將被測量的物理量正確、高速地傳遞給其它探測系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)制

25、動(dòng)控制和數(shù)字化測量。2.莫爾條紋的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理及裝置光柵讀數(shù)裝置是將光柵的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。是光柵計(jì)數(shù)和電子測微的信號(hào)源。光柵讀數(shù)裝置一般包括光源、照明系統(tǒng)、主光柵、指示光柵、接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器件等 部分。其原理如圖（1- 13）所示。1光源_2透鏡3主光柵h 'Sa 4 J '4指示光柵5接收物鏡Z 二|6光探測器圖1 - 13光柵模數(shù)轉(zhuǎn)換原理光源發(fā)出的光束經(jīng)透鏡變成一束亮度均勻的平行光，照亮主光柵3和指示光柵4，由于主光柵和指示光柵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而輸出光強(qiáng)交變的莫爾條紋信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)接收物鏡5后到達(dá)光探測器6,由此轉(zhuǎn)換為描述莫爾條紋的電信號(hào)，供光電計(jì)數(shù)和電子測

26、微使用。光柵讀數(shù)的方式有透射式和反射式兩類。在AGA70和 E2電子速測儀上，用光學(xué)的方法把光柵度盤的影像重疊到對(duì)徑180的光柵上，以替代指示光柵，這種光柵讀數(shù)裝置消除了度盤偏心差，又將光柵的相對(duì)移動(dòng)量擴(kuò)大了一倍，提高了光 柵度盤的分辨率，如圖（1 - 14）所示。發(fā)光二極管光柵度盤光電接收管圖1- 14 AGS700光柵讀數(shù)系統(tǒng)Wild TCL電子速測儀采用反射式光柵讀裝置，由于采用反射式光柵度盤和具有特殊功能的相位分析 光柵，使莫爾條紋的分辨率提高四倍。為了消除度盤偏心差的影響，在度盤對(duì)徑位置上設(shè)置了兩個(gè) 光柵讀數(shù)頭。另外，光柵讀數(shù)裝置還需考慮以下幾個(gè)問題：為了提高測角精度，必須采用角度的

27、測微技術(shù)；為了實(shí)現(xiàn)正確計(jì)算，必須進(jìn)行計(jì)數(shù)方向的判別。由于這種測角的方法是通過對(duì)光柵計(jì)數(shù)來確定角值的，因而也稱為增量式測角。 儀器可以順時(shí)針也可以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如果照準(zhǔn)部順指針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)累加，而當(dāng)轉(zhuǎn)過了目 標(biāo)，還必須按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)回到目標(biāo)。這樣，計(jì)數(shù)系統(tǒng)應(yīng)從總計(jì)數(shù)中減去逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)。 因此，該計(jì)數(shù)系統(tǒng)必須具有方向判別功能，才能得到正確的角值。為了判別方向，最為簡單的方法是再增加一個(gè)光電二極管，它與原來的獲取計(jì)數(shù)信息的光電二極管的間隔為莫爾條紋的四分之一（B/4 ）,使得這兩個(gè)光電二極管所獲取的信號(hào)的相位差為90 ，如圖（1- 15）所示，當(dāng)照準(zhǔn)部順指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋從左向右移動(dòng)，則b光

28、電二極管獲取的信號(hào)總是比a光電二極管獲取的信號(hào)滯后 90 o這樣，由于旋轉(zhuǎn)方向的不同，a、b光電二極管所獲取的信號(hào)的相位差發(fā)生了變化，在電路上就可以利用這種變化來控制脈沖計(jì)數(shù)，使照準(zhǔn)部順指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法運(yùn)算。反之，進(jìn)行減法運(yùn)算。最后獲得正確的角度。指示光柵度盤局部圖1 -15光柵計(jì)數(shù)的方向判別角度的電子測微技術(shù)無論是編碼度盤還是光柵度盤，直接測定角度的精度是很低的。如將一度盤刻成8個(gè)碼道，已經(jīng)不是簡單了，而其角度分辨率僅為360 /28 = 1.4，這是由于受到度盤直徑、度盤刻制技術(shù)和光電讀數(shù)系統(tǒng)的尺寸所限制。同樣對(duì)于光柵度盤也是如此。角度電子測微技術(shù)是運(yùn)用電子技術(shù)對(duì)交變的電信號(hào)進(jìn)

29、行內(nèi)插，從而提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，達(dá) 到細(xì)分的效果。光柵測微的途徑有三種：機(jī)械法、光學(xué)法和電子細(xì)分法。也有三種方法結(jié)合在一 起的綜合法。目前，電子細(xì)分法以其測微精度高、系統(tǒng)簡單等顯著的優(yōu)越性已成為通用方法。下 面介紹常用的電子測微方法一一四倍頻直接測微法。該法有英國費(fèi)南梯（Ferra nti ）公司首創(chuàng)，是目前各種電子測微技術(shù)的基礎(chǔ)。在上面介紹光柵度盤方向判別時(shí)已經(jīng)提到，為了判別計(jì)數(shù)方向，必須另加一個(gè)光電二極管，其位置與原來讀數(shù)的光電二極管的間隔為四分之一莫爾條紋寬度（B/4）,使得兩光電二極管所獲取的信號(hào)的相位差為 90。每移動(dòng)一個(gè)光柵，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)莫爾條紋的移動(dòng)，且被光電二極管接收 的莫爾條

30、紋的亮度變化一周。這樣，每通過一個(gè)條紋，兩光電二極管收到的信號(hào)就有四個(gè)過零點(diǎn)2、3、4。如圖（1 16）所示。經(jīng)過一定的電路就可將四個(gè)過零點(diǎn)轉(zhuǎn)化為四個(gè)脈沖，且相鄰兩脈沖的間隔為90 ，相當(dāng)于B/4,故稱四倍頻。在該法中，光電信號(hào)整形后產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖并進(jìn)行編碼, 中間不必提取測微信息，故有稱為直接測微法。圖1 16兩路信號(hào)地四個(gè)過零點(diǎn)信號(hào)輸入圖1 17四倍頻直接測微法方框圖數(shù)字輸出90的圖（1 17）為四倍頻直接測微法的方框圖。信號(hào)經(jīng)過四相取樣電路后得到四個(gè)相位差為電信號(hào) u1、u2、u3、u4:UA0 Asin ，tU 2 二 A0 Acos tU 3 = A)- Asin tU 4 二 A0

31、- A cos t其中Ao為直流分量。為了消除這一直流分量，一般利用差分放大器來實(shí)現(xiàn)，然后得到四個(gè)相差為90的信號(hào)為：U13 = U1U 3 二 2 Asin tU 24 二 U 2U 4 = 2AcosU 31 U 3 _ U 2 A si n，'tU 42 =U4 - U2 = 2Acos t上式四個(gè)信號(hào)經(jīng)過差分放大、過零鑒別器后，形成方波信號(hào)，該方波信號(hào)一路經(jīng)過編碼電路形 成方向判別信號(hào)，另一路經(jīng)微分電路形成尖脈沖，做為編碼電路的計(jì)數(shù)信號(hào)，其原理見圖（ 18）。編碼電路由與門和或門構(gòu)成，其加法脈沖和減法脈沖輸出邏輯表達(dá)式為：Q= tiP2 t2P3 t3P4 t4Pi這樣便得到了

32、供計(jì)數(shù)器使用的正反計(jì)數(shù)脈沖，既實(shí)現(xiàn)了正反向測量的方向判別問題，又解決了 測角中的測微和計(jì)數(shù)問題。三、光柵動(dòng)態(tài)測角原理光柵動(dòng)態(tài)測角方式是建立在計(jì)時(shí)掃描絕對(duì)動(dòng)態(tài)測角基礎(chǔ)之上的一種電子測角方式。系統(tǒng)由絕對(duì) 光柵度盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與機(jī)座固連在一起的固定光柵探測器和與照準(zhǔn)部固連在一起的活動(dòng)光柵探測 器，以及數(shù)字測微系統(tǒng)等組成。圖（ 1- 19）為T2000電子全站儀測角系統(tǒng)示意圖。LsUULTL -TLTLTLnL rPLnLTL rLTULTL-TL圖1 19T2000電子經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)測角原理在測角過程中，T2000的度盤以特定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并用對(duì)徑讀數(shù)的中數(shù)消除度盤偏心差，另外， 測角時(shí)，是對(duì)度盤上所有的

33、刻劃進(jìn)行計(jì)量，然后取中數(shù)作為觀測結(jié)果，徹底消除了度盤刻劃誤差， 也大大提高了測角精度。在度盤的圓周均勻刻劃了黑白相間的光柵條紋1024條，且一般刻劃線（不透光）的寬度為刻劃間隔（透光）的寬度的2倍。所以，每個(gè)光柵的角值即光柵度盤的單位角 度；：0為:60 60 360 才265,251024Ls,而外沿對(duì)徑設(shè)置了角度信息是通過光電信號(hào)的掃描來獲取，其光電掃描裝置（讀數(shù)頭） 在光柵度盤的內(nèi)沿對(duì)徑位置設(shè)置了一對(duì)與機(jī)座固連在一起的光柵探測器對(duì)與照準(zhǔn)部固連在一起的活動(dòng)光柵探測器Lr，它與照準(zhǔn)部一起旋轉(zhuǎn)。我們可以將Ls視為零位。Lr則相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)線，Ls與Lr之間的夾角，即為待測的角度。為了便于確

34、定角度計(jì)量的起始位置，度盤上間隔90 的位置還刻有A、B、C、D共四個(gè)粗細(xì)不同的編碼標(biāo)志，以便計(jì)量Ls與Lr之間的光柵數(shù)。所以也有人稱之為絕對(duì)式測角。啟動(dòng)測角指令后，度盤在馬達(dá)的帶動(dòng)下，以一定的速度旋轉(zhuǎn)，使光電探測器斷續(xù)的收到透過光柵度盤的紅外線，并轉(zhuǎn)換為高、低電平信號(hào)，這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)度盤的掃描。設(shè)°為一個(gè)刻劃周期的圓周角，度盤的刻劃總數(shù)為N，則對(duì)于任意角度 :，我們總可以將其表示為：即=no - :;：其中：n為正整數(shù)；0 _- - 0 ； 由上式可知，只要測出 n和，則角度:即可確定。在圖中，由Ls和Lr波形的前沿存在一個(gè)時(shí)間延遲 At，它和厶的變化范圍相對(duì)應(yīng)，At的變化范圍為O

35、-To，To為一個(gè)光柵信號(hào)周期。由于馬達(dá)的轉(zhuǎn)速一定，所以度盤的轉(zhuǎn)速也是一定的，故有:；：oTo其中：i =1、2N ;厶ti用脈沖填充的方法精確測定，處理器計(jì)算出; i后，再按下式計(jì)算整周多周次測量的平均值，作為最后結(jié)果。N值的測定是利用不同的四個(gè)編碼刻劃實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)度盤旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，四個(gè)編碼刻劃分別經(jīng)過Ls和Lr一次，Ls和Lr發(fā)出的信號(hào)依次為Ra、Sa、Rb、Sb、Rc、Sc、Rd、Sd。A刻劃由Ls轉(zhuǎn)到Lr所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為Ta，則待測角中所含的；：o的個(gè)數(shù)nA可由下式給出：nATaTo同理，其它三個(gè)編碼刻劃也可測出三個(gè)n值nB、nc禾口n°，微處理機(jī)將一周測出的四個(gè) n值加以比較，若

36、有差異，則自動(dòng)重復(fù)測量一次，以保證n值的正確性。光柵度盤掃描完畢后，由微處理機(jī)將 :;：和n %進(jìn)行銜接，得到;：角度值。第二章距離測量地面兩點(diǎn)間的距離是推算點(diǎn)坐標(biāo)的重要元素之一，因而距離測量也是最常見的測量工作。傳統(tǒng)的距離測量方法是皮卷尺測量、鋼帶尺測量和視距測量。現(xiàn)代的測量方法有電磁波測距法和GPS衛(wèi)星測量方法等。傳統(tǒng)測距方法精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，但設(shè)備成本低?，F(xiàn)代測距方法精度高，速度 快，但儀器設(shè)備價(jià)格相對(duì)昂貴。§ 2- 1電磁波測距的基本原理電磁波測距的基本概念電磁場理論早已揭示：光波（如激光、紅外光等）和微波同屬于電磁波，具有相同的傳播速度, 約為3105km/s。電磁波測距

37、包含光電（光波）測距和微波測距兩部分；從目前實(shí)用上的廣泛性而言，前者優(yōu)于后者。所謂的電磁波測距， 就是用電磁波作為載波進(jìn)行長度測量的一門技術(shù)。其基本思想為測定電磁波往返于待測距離上的時(shí)間間隔，進(jìn)而計(jì)算出兩點(diǎn)間的長度，如圖2- 1所示。其出發(fā)計(jì)算公式為：圖2-1 電磁波測距原理其中：C是電磁波在大氣中的傳播速度，可視為常數(shù)；t是電磁波在待測距離上的往返傳播時(shí)間。精確測定t是電磁波測距的關(guān)鍵。由于電磁波的速度很高，以至于 t值很小，必須用高分辨率 的設(shè)備去確定電磁波在傳輸過程中的時(shí)間間隔或時(shí)刻。人們?yōu)榱诉_(dá)到這一目的，設(shè)法將構(gòu)成時(shí)間間 隔的兩個(gè)端點(diǎn)與瞬間電磁波的某種物理參數(shù)相互比較，精密地計(jì)算出時(shí)間

38、t。迄今為止，已成功地將電磁波的不同物理參數(shù)引入測距，因此，出現(xiàn)了變頻法、干涉法、脈沖法和相位法等不同的測距 手段。表2-1說明了不同測距方法的有關(guān)特性。表2- 1光電測距方法光波測距信號(hào)測距原理測量結(jié)果變頻法連續(xù)波調(diào)制光波測定調(diào)制波頻率絕對(duì)長度相位法連續(xù)波調(diào)制光波測調(diào)制波相位差絕對(duì)長度干涉法連續(xù)波干涉光波測定干涉條紋相對(duì)長度脈沖法脈沖波光脈沖測定往返時(shí)間絕對(duì)長度早期的光電測距儀一般用普可爾盒或可爾盒調(diào)制可見光的振幅通過測頻或測相的方法進(jìn)行測 距。自從1968年紅外發(fā)光管應(yīng)用于相位法測距以來，它的低耗、輕便、廉價(jià)和精度穩(wěn)定等特點(diǎn),使之成為光電測距應(yīng)用最廣泛的光源。在過去的歲月里，變頻法已被淘汰

39、，脈沖法因精度問題而處 于次要地位，干涉法雖精度很高，但由于設(shè)備昂貴和使用環(huán)境苛刻而多應(yīng)用于計(jì)量部門，因此就形 成了相位法測距一枝獨(dú)秀的局面。但是，由于近十多年來科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)時(shí)方法的不斷改 進(jìn)，脈沖法發(fā)生了很大的變化，精度由原來的米級(jí)提高到毫米級(jí)，因而脈沖法測距和相位法測距是 目前最為常用的方法。脈沖法測距一般采用激光作為光源，可在無合作目標(biāo)時(shí)進(jìn)行測距，因而在某 些場合（如快速動(dòng)態(tài)時(shí)），具有相位法測距無可比擬的優(yōu)勢。本節(jié)將詳細(xì)討論兩種測距方法的原理。二、磁波測距的發(fā)展概況電磁波測距儀的發(fā)展至今已有50多年的歷史。瑞典大地測量局物理學(xué)家貝爾格斯川（Bergstrand ）采用光電技術(shù)從

40、事光速值的測定試驗(yàn)，終于在1943年較精確地測定了光速值。進(jìn)而與該國的AGA儀器公司合作，于1948年初步試驗(yàn)成功了一種利用白熾燈作光源的測距儀，命名為Geodimeter （大地測距儀或光電測距儀），邁開了光電測距的第一步。后來經(jīng)過不斷的改進(jìn)，該公司 就批量生產(chǎn)了型號(hào)為 NASM - 2A的光電測距儀，暢銷世界各國，從而促進(jìn)了各國對(duì)光電測距技術(shù) 的探討和儀器的研究。在以后的十余年時(shí)間內(nèi)，研究成功了20多種光電測距儀。它們的主要缺點(diǎn)是：儀器笨重，耗電量大，白天測程較短。例如NASM 2A型儀器，本身（不包含附件）就重達(dá)94Kg，耗電量為150W，白天只能測6km左右。50年代真空電子管問世后，

41、南非人Wadley設(shè)計(jì)出了微波測距儀。1960年美國人梅曼（Maiman ）研制成功了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。接著，第二年就產(chǎn)生了世界上第一臺(tái)激光測距裝置。十多 年來，隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光測距儀的類型也就日益增多，用處更加廣泛。1963年瑞士威特（WILD ）廠開始采用申化鎵 （GaAs）紅外發(fā)光二極管試制測距儀，促進(jìn)儀器的逐步小型化。1968年定型產(chǎn)品（DI10 ）投入生產(chǎn)，以后又不斷更新，現(xiàn)在有多種型號(hào)產(chǎn)品暢銷世界各國。在經(jīng)過50多年的發(fā)展后，目前電磁波測距儀已發(fā)展為一種常規(guī)的測量儀器，國內(nèi)外研制、生 產(chǎn)的廠家很多。產(chǎn)品的型號(hào)、工作方式、測程、精度等級(jí)也多種多樣，對(duì)于電磁波測距儀

42、的分類通 常有以下幾種：1 按載波分類電磁波測距儀2 按測程分類光電測距儀（光波）微波測距儀（無線電波）白熾燈和汞燈單載波紅外線激光多載波短程： 3 km，用于普通工程測量和城市測量； 中程：35km，常用于國家三角網(wǎng)和特級(jí)導(dǎo)線;長程：15km，用于一般的等級(jí)控制測量。3 按測量精度分類電磁波測距儀的精度，常用如下公式表示:mD 二 A B D其中A儀器標(biāo)稱精度中的固定誤差，以mm為單位；B儀器標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)，以mm/km為單位，也常表示為 ppm （part permillion ）;D測距邊長度，以 km為單位。在mD = A B D中，當(dāng)D= 1km時(shí)，可劃分為三級(jí)：I級(jí)： 5

43、mm（每公里測距中誤差）;n級(jí)：5 10mm;川級(jí)：11 20mm三、光脈沖法測距光脈沖法測距是以光脈沖作為測距信號(hào)，直接測定每個(gè)光脈沖在往返距離上傳播時(shí)間，這種方 法意大利的著名物理學(xué)家伽利略在十七世紀(jì)測定光速時(shí)，就采用過。上世紀(jì)七十年代初，脈沖測距 應(yīng)用于人衛(wèi)大地測量，如 G171衛(wèi)星激光測距儀，由紅寶石作為發(fā)光源，脈沖寬度為20ns,精度為1.5m，而第三代激光測距儀采用YAG （鋁石榴石）作為脈沖光源，脈沖寬度壓縮到100ps，精度已經(jīng)達(dá)到_5mm。測程由過去的 2000 3000km到現(xiàn)在的20000km。在地面測量中，早期的脈沖測距儀一般精度只有米級(jí)，但它不需要合作目標(biāo)，測距時(shí)間極

44、短，在快速測量，或高動(dòng)態(tài)等軍事部門應(yīng)用較多。1980年西德芬納儀器公司（Geo Fennel）與漢堡電子光學(xué)工程所（IBEO ）合作研究的脈沖技術(shù)，促使“FEN2000 ”脈沖測距儀系列的出現(xiàn)。1982年，瑞士的Wild儀器公司推出了 DI3000系列脈沖測距儀。近年來，市場還出現(xiàn)了小型的手持式脈沖測 距儀（DISTO ）,測距精度已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)。時(shí)鐘脈沖電子門脈沖發(fā)射脈沖接收計(jì)數(shù)顯示圖22脈沖法測距原理圖圖2 2為脈沖法測距原理圖。在脈沖測距儀中，其發(fā)射是以瞬間的電脈沖流過發(fā)光二極管, 使其轉(zhuǎn)換出窄小的光脈沖。每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)，大部分的能量發(fā)射至反射器，同時(shí)還有很少的一部分 脈沖信號(hào)傳輸?shù)接|

45、發(fā)器，經(jīng)過觸發(fā)器去打開電子門，電子門一打開，計(jì)時(shí)用的時(shí)標(biāo)脈沖就通過電子 門進(jìn)入計(jì)數(shù)器。當(dāng)發(fā)送到反射器的脈沖被返回時(shí)，經(jīng)接收單元接收后，也送往觸發(fā)器，通過電子門m,將對(duì)應(yīng)于測去關(guān)閉電子門，時(shí)標(biāo)脈沖就不能通過電子門，那么計(jì)數(shù)器上記錄下的時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù) 距脈沖信號(hào)在被測距離 D上往返傳播所需的時(shí)間t2D，時(shí)間越長，通過的脈沖個(gè)數(shù)就越多，反之就越少，根據(jù)時(shí)標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)就可計(jì)算出時(shí)間t2D，從而獲得距離。如某臺(tái)脈沖式測距儀，其時(shí)標(biāo)脈沖的頻率為fp=1MHz，設(shè)電磁波的速度為 v=3108m/s,用該儀器測量某一段距離，計(jì)數(shù)器顯示的時(shí)標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)為 3000個(gè)，則該段距離為 D=100米。脈沖法測距需要多次

46、重復(fù)進(jìn)行。測距脈沖的重復(fù)頻率要考慮脈沖在往返距離上的傳播時(shí)間，當(dāng)最大測程為30km時(shí)，相應(yīng)的往返時(shí)間為 0.2ms,則脈沖信號(hào)的頻率不能超過1/0.2 x 10= 5KHz ,一般為了保險(xiǎn)起見，采用 2-3KHz。在脈沖測距儀中，對(duì)于脈沖往返時(shí)間間隔的測定精度要求很高。若要求測距精度為ey - -5mm，則測時(shí)精度應(yīng)達(dá)到：C 3 10mm級(jí)的精度。為了滿足如此高的測時(shí)精度，計(jì)數(shù)脈沖的周期必須足夠小，F(xiàn)EN2000測距儀中采用300MHz高 頻振蕩器產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，并采用多次測量取平均值的方法，使得最終測量結(jié)果達(dá)到除采用多次測量方法外，在脈沖測距儀中也可采用模擬-數(shù)字式測時(shí)方法，使單次測量精度達(dá)

47、到mm級(jí)。在這種方法中，以參考振蕩器作為計(jì)時(shí)單位，不足一個(gè)計(jì)數(shù)單位的小數(shù)部分，可以用時(shí)間擴(kuò)展的方法將微小的時(shí)間間隔，轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行測量，其單次測量時(shí)間的精度可以達(dá)到mm級(jí)。以 Wild廠的DI3000為例，見圖2 3:發(fā)射脈沖接收脈沖1：計(jì)時(shí)頻標(biāo) u-LHH_n_rLTL_rL-TL_n_rLr卜n.TTAC 斥tb# L圖2 3 Wild DI3000計(jì)時(shí)原理時(shí)標(biāo)脈沖的頻率為15MHz，整周期的計(jì)數(shù)為脈沖的前沿（或后沿）數(shù)目，得到的距離粗值為nT （T為時(shí)標(biāo)的周期），但其分辨率僅為10m，不足一個(gè)整周期的部分 Ta和Tb則用一種高分辨率的時(shí)間 電壓轉(zhuǎn)換器件（Time Amplitude C

48、omenter , TAC ）來測量。TAC的核心是一只高精度的電容器， 在Ta和Tb的時(shí)間內(nèi)，用恒流充電，電容器中充電量的多少，即電容器的電壓的大小與Ta和Tb的時(shí)間間隔成正比，其關(guān)系如圖2 4所示，測量電容的電壓，即可用下式計(jì)算出激光脈沖精確的傳播時(shí)間。tm 二 n T Ta -Tb圖2 4 TAC原理經(jīng)重復(fù)測量后，精度可進(jìn)一步提高。 另外，在儀器內(nèi)部設(shè)立了 TAC校驗(yàn)電路，實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測定 時(shí)間與電壓的比例關(guān)系，以減小外界環(huán)境、元件參數(shù)的變化而產(chǎn)生的影響，同時(shí)還設(shè)有溫度傳感器 件，對(duì)參考晶震頻率變化進(jìn)行改正。在圖2 4中，由微機(jī)控制，發(fā)出 TAC低電平控制信號(hào)，在參考信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)對(duì)

49、電容充電，得到電壓 Ug,隨后發(fā)出TAC高電平控制信號(hào)，對(duì)電容充電兩個(gè)周期，得到電壓Og,由下式:2T -TOg -Ug可求得時(shí)間/電壓的直線斜率，并以此作為時(shí)間與電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)，來保證所測時(shí)間（Ta和Tb）的精確性。四、相位法測距1.相位法測距的基本原理相位法測距，也稱為間接法測距，它不是直接測定電磁波的往返傳播時(shí)間，而是測定由儀器發(fā) 出的連續(xù)電磁波信號(hào)在被測距離上往返傳播而產(chǎn)生的相位變化（即相位差），根據(jù)相位差求得時(shí)間,從而求得距離D。其基本原理框圖如圖 25:測信號(hào)發(fā)射反相信號(hào)接收射器A D B圖25相位法測距原理設(shè)測距儀發(fā)射的電磁波信號(hào)為:u =U mSin(，t 亠 5)電磁波在被測

50、距離上的往返傳播時(shí)間為t2D，因此，測距儀接收的電磁波信號(hào)為:u 二 U m sin(，t % - - -t2D )在這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的相位差為 .t2D。=t2Dr t2D測距儀把未發(fā)出的信號(hào)（參考信號(hào)）與接收的信號(hào)（測距信號(hào)）送入測相器，測相器可以測出 兩路信號(hào)的相位差'，那么：又 - 2二f 貝V：t2D代入式D =Ct2D /2則有:4if這就是相位法測距的基本公式。對(duì)上式變換一下，任何相位差總可以分為若干個(gè)2N二與一個(gè)不足2二的厶 之和，即：=2N 二 ：=（N：N）2；代入上面距離公式得：D =C（N ：N）2二 /4二fD （N ：N）2其中N為正整數(shù)，N為小于1的小數(shù)，二

51、C/f為測距信號(hào)的波長。從上式可以看出，相位法測距就好像用一把尺子在丈量距離，尺子的長度為 /2 , N為測出的整尺段數(shù)，N為不足一尺的尾數(shù)。相位法測距儀的功能就是測定N和厶N(yùn)值。2.相位法測距儀的基本構(gòu)成及測相原理（1）基本構(gòu)成相位式測距儀一般有四個(gè)部分組成，即發(fā)射部分、反射部分、接收部分、測相部分，各部分又有不同的部件組成。其基本的框圖如圖26所示：參 考 信 號(hào)圖2-6相位法測距儀的基本構(gòu)成發(fā)射部分：由晶體振蕩器、紅外發(fā)光二極管、發(fā)射電路組成，晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生低頻測 距信號(hào)，現(xiàn)代測距儀中的晶體振蕩器多采用溫補(bǔ)電路和頻率綜合技術(shù)，使產(chǎn)生的測距信號(hào)有較高的 頻率穩(wěn)定性，這是保證測距精度

52、的重要條件。發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光的光強(qiáng)，由測距信號(hào)調(diào)制隨 之變化，并通過聚束光路使之稱為平行光發(fā)射出去。反射部分：此部分較為簡單，一般采用直角反射棱鏡，如圖2-7所示，它是由正方體截取一個(gè)角得到的一個(gè)四面體，再將四面體的四個(gè)棱角磨光而成。這種反射鏡具有入射光與反射光總是平 行的特性，這就使得在棱鏡粗略對(duì)準(zhǔn)測距儀的情況下，測距儀發(fā)射的紅外光仍能返回到測距儀。出射光入射光圖2-7反射鏡接收部分：由接收光路和光電二極管組成，其關(guān)鍵部分為光電二極管。經(jīng)由接收光路的紅外光 聚焦到光電二極管上，光電二極管實(shí)質(zhì)是一個(gè)光敏器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此過程也稱為測 距信號(hào)的解調(diào)。測相部分：由本機(jī)振蕩器、基準(zhǔn)

53、混頻器、測距混頻器和測相器組成。由于在低頻段進(jìn)行測相的6 8精度要優(yōu)于在高頻段，而測距信號(hào)的頻率一般較高常在10 -10 Hz,因此在將測距信號(hào)送往測相器之前，需要降低測距信號(hào)的頻率，即混頻。混頻是將測距信號(hào)和本機(jī)振蕩信號(hào)同時(shí)送入測距混頻 器，由混頻器輸出一個(gè)低頻信號(hào)（如1KHz）,此低頻信號(hào)的頻率為兩輸入信號(hào)的頻率之差；同樣,參考信號(hào)也與本機(jī)振蕩信號(hào)在基準(zhǔn)混頻器中混頻，產(chǎn)生另一個(gè)同頻的低頻信號(hào)。將兩個(gè)低頻信號(hào)輸 入到測相器，所測定的相位差，由電學(xué)理論可以證明，與兩高頻信號(hào)（測距信號(hào)和參考信號(hào)）的相 位差相同。（2）測相原理測相方法主要有手動(dòng)平衡式和自動(dòng)數(shù)字式。在現(xiàn)代測距儀中，前者已被淘汰，而

54、多采用后者。 自動(dòng)數(shù)字式測相的原理框圖如圖2-8所示：emCPTg時(shí)鐘脈沖閘門脈沖圖2-8數(shù)字測相原理當(dāng)把參考信號(hào)er和測距信號(hào)em送入測相器前，先把兩路信號(hào)通過通道整形成方波信號(hào)，再把兩路方波信號(hào)送入觸發(fā)器 CHP中，CHP觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端 S和R,兩個(gè)輸出端 Q和Q。當(dāng)R輸入低電平時(shí)，無論S端輸入為高或低電平， Q端均輸出低電平，當(dāng) R端輸入高電平時(shí)，若 S端輸入高電平則Q端輸出低電平，若 S端輸入低電平則 Q端輸出高電平，其邏輯波形見圖 2-9。er廠、em” 、 /、 /、er1【IIIem1 1 1 11 |_QrnrirLcplllllllllllllllllllllllllll

55、lllllllllllllllllllllYmumuI 1 _圖2-9數(shù)字測相波形圖分析CHP的Q端的輸出波形，可以看出， 其高電平部分正好等于參考信號(hào)與測距信號(hào)之間的相 位差，只要測出CHP Q端輸出高電平的時(shí)長就測出了相位差。把Q端輸出的信號(hào)送入電子門， 高電平會(huì)打開電子門， 低電平時(shí)關(guān)閉電子門。 當(dāng)電子門打開時(shí), 時(shí)標(biāo)脈沖通過電子門到達(dá)計(jì)數(shù)器，顯然，計(jì)數(shù)器的值與Q端輸出高電平的時(shí)長成正比，也即計(jì)數(shù)器的值與相位差成正比。設(shè)計(jì)數(shù)器值為 m,則相位差.為：式中：fcp為時(shí)標(biāo)脈沖測頻率；fe為混頻后低頻信號(hào)的頻率。上述為一次測相過程，為了減少大氣抖動(dòng)及電路噪聲等影響，減弱偶然誤差，提高測距精度，通常一次距離測量需要進(jìn)行多次重復(fù)測相，以平均值作為最終結(jié)果。為此，在測相電路的Y1門之后，在增加一個(gè) Y2門，其作用是用閘門時(shí)間t